Linjär optik och fotodetektion uppnår nästan optimal otvetydig koherent tillståndsdiskriminering

Linjär optik och fotodetektion uppnår nästan optimal otvetydig koherent tillståndsdiskriminering

Tidsstämpel: 31 maj 2023 10:12
Källnod: 2691519

Jasminder S. Sidhu1, Michael S. Bullock2, Saikat Guha2,3och Cosmo Lupo4,5

1SUPA Institutionen för fysik, University of Strathclyde, Glasgow, G4 0NG, Storbritannien
2Institutionen för elektro- och datorteknik, University of Arizona, Tucson, Arizona 85721, USA
3College of Optical Sciences, University of Arizona, Tucson, Arizona 85721, USA
4Dipartimento Interateneo di Fisica, Politecnico & Università di Bari, 70126 Bari, Italien
5INFN, Sezione di Bari, 70126 Bari, Italien

Hitta det här uppsatsen intressant eller vill diskutera? Scite eller lämna en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Koherenta tillstånd i det kvantelektromagnetiska fältet, kvantbeskrivningen av idealiskt laserljus, är främsta kandidater som informationsbärare för optisk kommunikation. Det finns en stor mängd litteratur om deras kvantbegränsade uppskattning och diskriminering. Mycket lite är dock känt om de praktiska realiseringarna av mottagare för entydig statlig diskriminering (USD) av koherenta stater. Här fyller vi detta tomrum och skisserar en teori om USD med mottagare som tillåts använda: passiv multimod linjär optik, fas-rymdförskjutningar, hjälpvakuumlägen och på-av-fotondetektering. Våra resultat indikerar att, i vissa regimer, är dessa för närvarande tillgängliga optiska komponenter vanligtvis tillräckliga för att uppnå nära optimal otvetydig diskriminering av flera koherenta multimode tillstånd.

Utvald bild: Exempel på en explicit mottagardesign som använder linjär passiv optik i flera lägen, fas-rymdförskjutningsoperationer, extra vakuumlägen och lägesvis på-av-fotondetektion.

Populär sammanfattning

Kvantförbättrade mottagare ligger i spetsen för nya kvantteknologier. För applikationer inom optisk kommunikation ger de förbättrade diskriminerande möjligheter för flera icke-ortogonala kvanttillstånd. Detta är särskilt viktigt för svaga koherenta tillståndsalfabet med tanke på deras centrala roll som informationsbärare inom kvantavkänning, kommunikation och datoranvändning. En väldesignad kvantmottagare kombinerar funktionalitet med hög prestanda, där den senare kvantifieras genom ett lämpligt uppgiftsberoende meritvärde Inom ramen för entydig tillståndsdiskriminering (USD) är kvantmottagare designade för att identifiera ett okänt tillstånd utan fel och dess prestanda är benchmarkad i termer av den lägsta genomsnittliga sannolikheten för att få en osäkra händelse.

Det finns en stor mängd litteratur som ägnas åt att fastställa den globala gränsen för USD för olika familjer av kvanttillstånd, inklusive semidefinite programmering och till och med exakta analytiska lösningar där symmetri i staterna tillåter. Dessa tillvägagångssätt tillhandahåller formella matematiska beskrivningar för globalt optimala USD-mätningar, men de ger inte en explicit eller genomförbar mottagarkonstruktion. Överraskande nog är väldigt lite känt om praktiska USD-mottagare för koherenta stater bortom fasskiftande nyckelkonstellationer, och om de kan uppnå de globala gränserna.

För att överbrygga detta gap, etablerar vi en ny teori för USD som fungerar under praktiska mätsystem. I synnerhet utnyttjar våra mottagare endast begränsade resurser, såsom linjär passiv optik i flera lägen, fas-rymdförskjutningsoperationer, extra vakuumlägen och lägesvis på-av-fotondetektering. Vi utvecklar flera klasser av mottagare, var och en anpassad till specifika egenskaper hos den koherenta tillståndskonstellationen. Vi tillämpar vår teori på ett antal koherenta tillståndsmoduleringar och jämför prestandan till befintliga globala gränser för USD. Vi visar att i vissa regimer är denna praktiska, men ändå begränsade, uppsättning fysiska operationer typiskt tillräckliga för att leverera nästan optimal prestanda. Detta arbete etablerar ett teoretiskt ramverk för att förstå och bemästra designen av mottagare för att möjliggöra nästan optimal USD av koherenta tillstånd.

► BibTeX-data

► Referenser

[1] Charles H. Bennett, Gilles Brassard och N. David Mermin, Quantum cryptography without bell's theorem, Phys. Rev. Lett. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557

[2] Jasminder S. Sidhu och Pieter Kok, Geometric perspective on quantum parameter estimation, AVS Quantum Science 2, 014701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1116 / 1.5119961

[3] Jasminder S. Sidhu och Pieter Kok, Quantum fisher information for general spatial deformations of quantum emitters, ArXiv (2018), https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1802.01601, arXiv:1802.01601] [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1802.01601
arXiv: 1802.01601

[4] S. Pirandola, UL Andersen, L. Banchi, M. Berta, D. Bunandar, R. Colbeck, D. Englund, T. Gehring, C. Lupo, C. Ottaviani, et al., Advances in quantum cryptography, Adv. Välja. Foton. 12, 1012 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / AOP.361502

[5] Jasminder S. Sidhu, Siddarth K. Joshi, Mustafa Gündoğan, Thomas Brougham, David Lowndes, Luca Mazzarella, Markus Krutzik, Sonali Mohapatra, Daniele Dequal, Giuseppe Vallone, et al., Advances in space quantum communications, IET Quantum Communication , 1 ( 2021a).
https://​/​doi.org/​10.1049/​qtc2.12015

[6] S. Schaal, I. Ahmed, JA Haigh, L. Hutin, B. Bertrand, S. Barraud, M. Vinet, C.-M. Lee, N. Stelmashenko, JWA Robinson, et al., Fast gate-baserad avläsning av kiselkvantprickar med hjälp av josephson parametrisk förstärkning, Phys. Rev. Lett. 124, 067701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.067701

[7] Joonwoo Bae och Leong-Chuan Kwek, Kvanttillståndsdiskriminering och dess tillämpningar, J. Phys. A: Matematik. Teoret. 48, 083001 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​48/​8/​083001

[8] IA Burenkov, MV Jabir och SV Polyakov, Praktiska kvantförstärkta mottagare för klassisk kommunikation, AVS Quantum Science 3 (2021), https://​/​doi.org/​10.1116/​5.0036959.
https: / / doi.org/ 10.1116 / 5.0036959

[9] Ivan A. Burenkov, N. Fajar R. Annafianto, MV Jabir, Michael Wayne, Abdella Battou och Sergey V. Polyakov, Experimentell shot-by-shot-uppskattning av kvantmätningsförtroende, Phys. Rev. Lett. 128, 040404 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.040404

[10] Hemani Kaushal och Georges Kaddoum, Optical communication in space: Challenges and mitigation techniques, IEEE Communications Surveys & Tutorials 19, 57 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1109 / COMST.2016.2603518

[11] EKG Sudarshan, Ekvivalens av semiklassiska och kvantmekaniska beskrivningar av statistiska ljusstrålar, Phys. Rev. Lett. 10, 277 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.10.277

[12] Roy J. Glauber, Koherenta och inkoherenta tillstånd i strålningsfältet, Phys. Rev. 131, 2766 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.131.2766

[13] ID Ivanovic, Hur man kan skilja mellan icke-ortogonala tillstånd, Phys. Lett. A 123, 257 (1987).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(87)90222-2

[14] D. Dieks, Överlappning och särskiljbarhet av kvanttillstånd, Phys. Lett. A 126, 303 (1988).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(88)90840-7

[15] Asher Peres och Daniel R Terno, Optimal distinktion between non-ortogonal quantum states, J. Phys. A: Matematik. Gen. 31, 7105 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​31/​34/​013

[16] YC Eldar, En semidefinitiv programmeringsmetod för optimal otvetydig diskriminering av kvanttillstånd, IEEE Transactions on Information Theory 49, 446 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2002.807291

[17] Anthony Chefles, Entydig diskriminering mellan linjärt oberoende kvanttillstånd, Physics Letters A 239, 339 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(98)00064-4

[18] Gael Sentís, John Calsamiglia och Ramon Muñoz Tapia, Exakt identifiering av en kvantförändringspunkt, Phys. Rev. Lett. 119, 140506 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.140506

[19] Kenji Nakahira, Kentaro Kato och Tsuyoshi Sasaki Usuda, Lokal otvetydig diskriminering av symmetriska ternära tillstånd, Phys. Rev. A 99, 022316 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022316

[20] Gael Sentís, Esteban Martínez-Vargas och Ramon Muñoz-Tapia, Online identifiering av symmetriska rena tillstånd, Quantum 6, 658 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-02-21-658

[21] Yuqing Sun, Mark Hillery och János A. Bergou, Optimal otvetydig diskriminering mellan linjärt oberoende icke-ortogonala kvanttillstånd och dess optiska realisering, Phys. Rev. A 64, 022311 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.022311

[22] János A. Bergou, Ulrike Futschik och Edgar Feldman, Optimal unambiguous discrimination of pure quantum states, Phys. Rev. Lett. 108, 250502 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.250502

[23] H. Yuen, R. Kennedy och M. Lax, Optimal testning av flera hypoteser i kvantdetektionsteori, IEEE Trans. Inf. Theory 21, 125 (1975).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.1975.1055351

[24] Carl W. Helstrom, Quantum Detection and Estimation Theory (Academic Press Inc., 1976).

[25] B. Huttner, N. Imoto, N. Gisin och T. Mor, Quantum cryptography with coherent states, Phys. Rev. A 51, 1863 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.1863

[26] Konrad Banaszek, Optimal mottagare för kvantkryptering med två koherenta tillstånd, Phys. Lett. A 253, 12 (1999).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(99)00015-8

[27] SJ van Enk, Entydig tillståndsdiskriminering av koherenta tillstånd med linjär optik: Tillämpning på kvantkryptografi, Phys. Rev. A 66, 042313 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.66.042313

[28] Miloslav Dušek, Mika Jahma och Norbert Lütkenhaus, Entydig tillståndsdiskriminering i kvantkryptografi med svaga koherenta tillstånd, Phys. Rev. A 62, 022306 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.62.022306

[29] Patrick J. Clarke, Robert J. Collins, Vedran Dunjko, Erika Andersson, John Jeffers och Gerald S. Buller, Experimentell demonstration av kvantdigitala signaturer med hjälp av faskodade koherenta ljustillstånd, Nat. Commun. 3, 1174 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2172

[30] FE Becerra, J. Fan och A. Migdall, Implementering av generaliserade kvantmätningar för entydig diskriminering av flera icke-ortogonala koherenta tillstånd, Nat. Commun. 4, 2028 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3028

[31] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen och Ulrik L. Andersen, Tomography of a feedback measurement with photon detection, Phys. Rev. Lett. 124, 070502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.070502

[32] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen och Ulrik L. Andersen, Adaptive generalized measurement for unambiguous state discrimination of quaternary phase-shift-keying coherent states, PRX Quantum 2, 020305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020305

[33] MT DiMario och FE Becerra, Demonstration av optimal icke-projektiv mätning av binära koherenta tillstånd med fotonräkning, npj Quantum Inf 8, 84 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-022-00595-3

[34] M Takeoka, H Krovi och S Guha, Att uppnå holevo-kapaciteten för en ren tillståndsklassisk-kvantkanal via otvetydig statlig diskriminering, 2013 IEEE International Symposium on Information Theory (2013) s. 166–170.

[35] AS Holevo, Kvantkanalens kapacitet med allmänna signaltillstånd, IEEE Trans. Inf. Theory 44, 269 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.651037

[36] Saikat Guha, Strukturerade optiska mottagare för att uppnå superadditiv kapacitet och holevo-gränsen, Phys. Rev. Lett. 106, 240502 (2011a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

[37] S Guha, Z Dutton och JH Shapiro, On quantum limit of optical communications: Concatenated codes and joint-detection-mottagare, 2011 IEEE International Symposium on Information Theory Proceedings (2011) s. 274–278.

[38] Matteo Rosati, Andrea Mari och Vittorio Giovannetti, Multiphase hadamard-mottagare för klassisk kommunikation på förlustiga bosoniska kanaler, Phys. Rev. A 94, 062325 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.062325

[39] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych och Gerd Leuchs, Demonstration of coherent-state discrimination using a displacement-controlled photon-number-resolving detector, Phys. Rev. Lett. 104, 100505 (2010a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.100505

[40] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych och Gerd Leuchs, Discrimination of binary coherent states using a homodyne detector and a photon number resolving detector, Phys. Rev. A 81, 062338 (2010b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062338

[41] B. Huttner, A. Muller, JD Gautier, H. Zbinden och N. Gisin, Entydig kvantmätning av icke-ortogonala tillstånd, Phys. Rev. A 54, 3783 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.3783

[42] Roger BM Clarke, Anthony Chefles, Stephen M. Barnett och Erling Riis, Experimentell demonstration av optimal entydig tillståndsdiskriminering, Phys. Rev. A 63, 040305 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.63.040305

[43] Alessandro Ferraro, Stefano Olivares och Matteo GA Paris, Gaussiska tillstånd i kontinuerlig variabel kvantinformation (Bibliopolis (Napoli), 2005) arXiv:quant-ph/​0503237.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​0503237
arXiv: kvant-ph / 0503237

[44] P. Aniello, C. Lupo och M. Napolitano, Exploring representation theory of unitary groups via linjära optiska passiva enheter, Open Systems & Information Dynamics 13, 415 (2006).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11080-006-9023-1

[45] Scott Aaronson och Alex Arkhipov, The computational complexity of linear optics, i Proceedings of the forty-thirth annual ACM symposium on Theory of computing (ACM, 2011) s. 333–342.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

[46] Michael Reck, Anton Zeilinger, Herbert J. Bernstein och Philip Bertani, Experimentell realisering av någon diskret enhetlig operatör, Phys. Rev. Lett. 73, 58 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.73.58

[47] William R. Clements, Peter C. Humphreys, Benjamin J. Metcalf, W. Steven Kolthammer och Ian A. Walmsley, Optimal design for universal multiport interferometers, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[48] BA Bell och IA Walmsley, Ytterligare kompaktering av linjära optiska enheter, APL Photonics 6, 070804 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0053421

[49] Jasminder S. Sidhu, Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen, Cosmo Lupo och Ulrik L. Andersen, Quantum-mottagare för fasförskjutningsnyckel på enkelfotonnivå, PRX Quantum 2, 010332 (2021b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010332

[50] Saikat Guha, Patrick Hayden, Hari Krovi, Seth Lloyd, Cosmo Lupo, Jeffrey H. Shapiro, Masahiro Takeoka och Mark M. Wilde, Quantum enigma machines and the locking capacity of a quantum channel, Phys. Rev. X 4, 011016 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.4.011016

[51] M. Skotiniotis, R. Hotz, J. Calsamiglia och R. Muñoz-Tapia, Identifiering av felaktiga kvantenheter, arxiv: 1808.02729 (2018), https:/doi.org/ 10.48550/arxiv.1808.02729, arxiv: arxiv: 1808.02729.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1808.02729
arXiv: arXiv: 1808.02729

[52] Bobak Nazer och Michael Gastpar, Fallet för strukturerade slumpmässiga koder i nätverkskapacitetsteorem, European Transactions on Telecommunications 19, 455 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1002/​ett.1284

[53] Saikat Guha, Strukturerade optiska mottagare för att uppnå superadditiv kapacitet och holevo-gränsen, Phys. Rev. Lett. 106, 240502 (2011b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

[54] Thomas M. Cover and Joy A. Thomas, Elements of Information Theory, 2nd ed., Vol. 11 (Wiley-Interscience, 2006).

[55] Yury Polyanskiy, H. Vincent Poor och Sergio Verdu, Kanalkodningshastighet i den ändliga blocklängdsregimen, IEEE Transactions on Information Theory 56, 2307 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2010.2043769

[56] Si-Hui Tan, Zachary Dutton, Ranjith Nair och Saikat Guha, Finite codelength analysis of the sequential waveform nolling receiver for m-ary psk, 2015 IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT) (2015) s. 1665–1670.
https: / ⠀ </ ⠀ <doi.org/†<10.1109 / ⠀ <ISIT.2015.7282739

[57] Mankei Tsang, Poisson quantum information, Quantum 5, 527 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-08-19-527

[58] Krishna Kumar Sabapathy och Andreas Winter, Bosonic data hiding: power of linear vs non-linear optics, arXiv:2102.01622 (2021), https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2102.01622, arXiv:2102.01622X.iv:XNUMX.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2102.01622
arXiv: arXiv: 2102.01622

[59] Ludovico Lami, Döljande av kvantdata med kontinuerliga variabla system, Phys. Rev. A 104, 052428 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.052428

Citerad av

[1] Alessio Belenchia, Matteo Carlesso, Ömer Bayraktar, Daniele Dequal, Ivan Derkach, Giulio Gasbarri, Waldemar Herr, Ying Lia Li, Markus Rademacher, Jasminder Sidhu, Daniel KL Oi, Stephan T. Seidel, Rainer Kaltenbaek, Christoph Marquardt, André Ula Wichtuer, Vlady Lisa Wichter, Vlady Xbrören, Vlady Xbr. Paternostro och Angelo Bassi, "Kvantfysik i rymden", Physics Reports 951, 1 (2022).

[2] Jasminder S. Sidhu, Thomas Brougham, Duncan McArthur, Roberto G. Pousa och Daniel KL Oi, "Finite key effects in satellite quantum key distribution", npj Kvantinformation 8, 18 (2022).

[3] MT DiMario och FE Becerra, "Demonstration av optimal icke-projektiv mätning av binära koherenta tillstånd med fotonräkning", npj Kvantinformation 8, 84 (2022).

Ovanstående citat är från SAO / NASA ADS (senast uppdaterad framgångsrikt 2023-06-01 02:15:37). Listan kan vara ofullständig eftersom inte alla utgivare tillhandahåller lämpliga och fullständiga citatdata.

On Crossrefs citerade service Inga uppgifter om citerande verk hittades (sista försök 2023-06-01 02:15:35).

Detta papper publiceras i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Upphovsrätten kvarstår med de ursprungliga upphovsrättsinnehavarna som författarna eller deras institutioner.

Tidsstämpel:

Mer från Quantum Journal